Termodinamika 1: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 8 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baruKembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Hukum gas ideal

Hukum gas ideal
pV = nRT
Konstanta gas
R = 8,314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan
p1V1/T1 = p2V2/T2
Mol
n = m/M
Suhu
T[K] = T[°C] + 273,15

Neraca energi

Kalor sensibel
Q = ṁ·cp·ΔT
Kalor laten
Q = ṁ·hfg
Pencampuran
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
Air
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Mesin kalor & refrigerator

Efisiensi
η = W/QH = 1 − QC/QH
Efisiensi Carnot
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP mesin pendingin
COPR = QC/W
COP pompa kalor
COPHP = QH/W = COPR + 1
Neraca energi
QH = W + QC

Siklus daya gas

Isentropik, rasio volume
T2/T1 = rk−1
Isentropik, rasio tekanan
T2/T1 = rp(k−1)/k
Efisiensi Otto
η = 1 − 1/rk−1
Efisiensi Diesel
η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k(rc − 1))
Efisiensi Brayton
η = 1 − 1/rp(k−1)/k
Kalor yang ditambahkan
Otto: cv(T3 − T2) Diesel, Brayton: cp(T3 − T2)
Kerja netto Brayton
w = cp[(T3 − T4) − (T2 − T1)]
Efisiensi isentropik
wc = wc,s/ηc, wt = ηt·wt,s
Standar udara dingin
k = 1,4, cp = 1,005, cv = 0,718 kJ/(kg·K)

2Soal latihan

1.Hukum gas idealSedang
180 g CO₂P = 200 kPaT = 55 °CV = ?

Berapa volume V yang ditempati 180 g CO₂ pada 200 kPa dan 55 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 180 gM = 44,01 g/molP = 200 kPaT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
2.Hukum gas idealSulit
N₂, M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 160 °Cρ = ?

Cari massa jenis ρ N₂ pada 900 kPa dan 160 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 28,01 g/molP = 900 kPaT = 160 °CR = 8,314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
3.Neraca energiSedang
sisi panassisi dinginoli ringan · 150 °C110 °Cair · 15 °Ct = ? °C

oli ringan panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air tout.

ṁh = 1 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 110 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.Neraca energiSulit
sisi panassisi dinginetanol · 150 °C60 °Cair · 25 °C55 °C · ṁ = ?10% hilang

etanol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 10% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁc yang diperlukan.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Ct: 25 → 55 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %
ṁc = kg/s
5.Mesin kalor & refrigeratorSedang
TH​ = 500 °CTL​ = 25 °CEQH​QL​η = 46%

Sebuah mesin kalor menerima panas dari sumber bersuhu 500 °C dan membuang panas ke lingkungan bersuhu 25 °C. Efisiensi termal sebenarnya 46%. Cari efisiensi hukum keduanya ηII, yaitu rasio efisiensi sebenarnya terhadap efisiensi Carnot.

TH = 500 °CTL = 25 °Cη = 46%
ηII = %
6.Mesin kalor & refrigeratorSulit
TH​ = 28 °CTL​ = -25 °CRQ̇H​Q̇L​ = 1 kWẆ = ?

Lemari es menjaga ruang dinginnya pada -25 °C di dapur bersuhu 28 °C, dengan mengambil panas dari ruang dingin sebesar 1 kW. Cari daya masukan minimum Ẇmin.

TH = 28 °CTL = -25 °CQ̇L = 1 kW
Ẇmin = kW
7.Siklus daya gasSedang
vP1234qin​qout​

Sebuah siklus Diesel ideal memiliki rasio kompresi r = 19 dan rasio cutoff rc = v₃/v₂ = 3. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) dan cv = 0,718 kJ/(kg·K). Cari efisiensi termalnya η dalam persen.

r = 19rc = 3k = 1,4
η = %
8.Siklus daya gasSulit
vP1234qin​qout​

Sebuah pembangkit turbin gas bekerja dengan siklus Brayton dengan rasio tekanan kompresor 16. Udara memasuki kompresor pada 295 K dan turbin pada 1500 K. Kompresor memiliki efisiensi isentropik 85% dan turbin 90%. Gunakan asumsi standar udara dingin: udara adalah gas ideal dengan kalor jenis konstan, k = 1,4, cp = 1,005 kJ/(kg·K) dan cv = 0,718 kJ/(kg·K). Cari kerja keluaran netto wnet per kilogram udara, dalam kJ/kg.

rp = 16T1 = 295 KT3 = 1500 Kηc = 85%ηt = 90%k = 1,4cp = 1,005 kJ/(kg·K)
wnet = kJ/kg

3Larutan

1.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 55,79 L

Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = 180/44,01 = 4,09 mol
T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Volume

V = nRT/P = 4,09·8,314·328,1/200 = 55,79 L

Jawaban

V = 55,79 L
2.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 7 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 160 + 273,15 = 433,1 K

Massa jenis

ρ = 900·28,01/(8,314·433,1) = 7 kg/m³

Jawaban

ρ = 7 kg/m³
3.Neraca energi

Jawaban: tout = 21,7 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1·2,1·(150 − 110) = 84 kW

Panas yang diterima air

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 84/(3·4,18) = 21,7 °C

Jawaban

tout = 21,7 °C
4.Neraca energi

Jawaban: ṁc = 2,364 kg/s

Neraca energi dengan kehilangan: panas dilepas = panas diserap + panas hilang.

Panas dilepas

Qh = 1,5·2,44·(150 − 60) = 329,4 kW

Panas yang sampai ke air

Qc = (1 − 0,1)·329,4 = 296,5 kW

Laju alir air

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 296,5/(4,18·30) = 2,364 kg/s

Jawaban

ṁc = 2,364 kg/s
5.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: ηII = 74,87 %

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Suhu mutlak

TH = 500 + 273,15 = 773,1 K
TL = 25 + 273,15 = 298,1 K

Efisiensi Carnot

ηCarnot = 1 − 298,1/773,1 = 61,44 %

Efisiensi hukum kedua

ηII = η/ηCarnot = 46/61,44 = 74,87 %

Jawaban

ηII = 74,87 %
6.Mesin kalor & refrigerator

Jawaban: Ẇmin = 0,2136 kW

Batas hukum kedua: tidak ada siklus yang bekerja di antara reservoir bersuhu mutlak TH dan TL yang dapat mengungguli siklus reversibel (Carnot): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL), dan COPHP,max = TH/(TH − TL). Energi selalu kekal: QH = W + QL.

Suhu mutlak

TH = 28 + 273,15 = 301,1 K
TL = -25 + 273,15 = 248,1 K

COP terbaik yang mungkin

COPR,max = TL/(TH − TL) = 248,1/(301,1 − 248,1) = 4,682

Daya minimum

Usaha paling kecil dibutuhkan oleh mesin reversibel, yang COP-nya paling tinggi.

Ẇmin = Q̇L/COP = 1/4,682 = 0,2136 kW

Jawaban

Ẇmin = 0,2136 kW
7.Siklus daya gas

Jawaban: η = 59,79 %

Siklus Diesel (motor diesel): 1→2 kompresi isentropik, 2→3 penambahan kalor pada tekanan konstan, 3→4 ekspansi isentropik, 4→1 pelepasan kalor pada volume konstan. Dengan rasio kompresi r = v₁/v₂ dan rasio penghentian (cutoff) rc = v₃/v₂: T₂ = T₁·rk−1, T₃ = rc·T₂, qin = cp·(T₃ − T₂) dan η = 1 − (1/rk−1)·(rck − 1)/(k·(rc − 1)).

Suku cutoff

(31,4 − 1)/(1,4·(3 − 1)) = 1,306

Efisiensi termal

η = 1 − 0,308·1,306 = 59,79%

Jawaban

η = 59,79%
8.Siklus daya gas

Jawaban: wnet = 320,9 kJ/kg

Siklus Brayton (turbin gas): 1→2 kompresi isentropik, 2→3 penambahan kalor pada tekanan konstan, 3→4 ekspansi isentropik di turbin, 4→1 pelepasan kalor pada tekanan konstan. Dengan rasio tekanan rp = P₂/P₁: T₂ = T₁·rp(k−1)/k, T₄ = T₃/rp(k−1)/k dan η = 1 − 1/rp(k−1)/k. Kerja netto w = cp·[(T₃ − T₄) − (T₂ − T₁)]. Dengan efisiensi isentropik, kompresor memerlukan ws/ηc dan turbin menghasilkan ηt·ws.

Suhu isentropik

T2s = 295·160,2857 = 651,4 K
T4s = 1500/160,2857 = 679,3 K

Kerja kompresor dan turbin

wc = 1,005·(651,4 − 295)/0,85 = 421,4 kJ/kg
wt = 0,9·1,005·(1500 − 679,3) = 742,3 kJ/kg

Kerja netto

wnet = 742,3 − 421,4 = 320,9 kJ/kg

Jawaban

wnet = 320,9 kJ/kg

Rasio kerja balik: wc/wt = 56,77%.

ExamProblems · examproblems.com/courses/thermodynamics-1